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基于刚柔耦合动力学分析的蓝莓采摘机理与影响因素研究

耿雷  
【摘要】:近年来,我国蓝莓产业发展迅速。目前,我国蓝莓的收获通常采用人工作业,蓝莓果实每年6-8月成熟,因蓝莓果实呈酸性,且蓝莓果实成熟期邻近雨季、成熟期短,需投入大量的人力进行蓝莓果实采收。据统计资料显示,每年因采收不及时造成了巨大的资源浪费和经济损失。研究蓝莓植株与果实生长机理,建立与完善蓝莓果实采摘理论,研制和推广蓝莓采摘机,对发展蓝莓产业、实现蓝莓果实收获现代化和自动化具有重要的意义。针对第一代GYL062-1型牵引式蓝莓采摘机采摘系统中,复合连杆传动装置存在激振力变化不平稳等不足,对采摘系统传动装置加以改进,改进后的采摘系统以槽型凸轮带动双摇杆机构作为传动装置。对改进后的采摘系统传动装置进行运动学、动力学研究,并基于MLSD碰撞理论建立采摘装置传递间隙力学模型并对其分析求解,分析采摘装置传动效率和采摘装置工作能量损耗,进行仿真分析研究,为完善采摘机理、进行采摘机的设计与研制提供了理论依据。建立蓝莓植株生长振动模型,采用超几何函数作为核函数对振动模型进行解算得到蓝莓植株的主振型、正则振型和杜哈梅积分式;采用多柔体大范围弹性变形理论求解采摘机与蓝莓植株相互作用时采摘碰撞力,并对采摘过程中的蓝幕植株振动形态进行分类;利用已求解得到的采摘碰撞力和杜哈梅积分式求解,得出蓝莓植株每类振动的振动输出响应和蓝莓果实振动采摘力;分析蓝莓采摘工作条件和蓝莓植株振动能耗,基于ANSYS软件建立蓝莓植株柔性体、基于ADAMS软件建立采摘机刚性体,在ADAMS下对采摘机和蓝莓植株进行刚柔耦合动力学分析以研究蓝莓振动采摘过程,为探索和完善蓝莓采摘振动机理奠定基础。分析蓝莓植株与土壤相互作用能量损耗,分析理想状态下、自然条件下和采摘装置作用下的蓝莓植株生长形态并建立力学模型;采用“静变形法”求解得到蓝莓植株与土壤之间相互作用的等效刚度,依据“动能守恒”的思想求解得到蓝莓植株等效质量,利用“衰减系数法”求解得到土壤作用的等效阻尼;建立起采摘机、蓝莓植株、土壤三者相互作用的等效力学模型,求解得到蓝莓植株与土壤相互作用振动能耗,完善蓝莓采摘振动理论。采用正交试验设计方法合理设计与安排试验,使用自行研制开发的蓝莓采摘机进行蓝莓采摘试验研究,通过对试验的观察与数据分析,验证了所建立的模型合理,假设条件与计算方法合理,所建立的基于刚柔耦合动力学分析的采摘理论合理;对实验数据进行分析处理,得到采摘机最佳工作参数,为采摘机工作参数的选择提供理论指导。


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